苏北辐射沙洲区间流系分布格局及对大气强迫力的响应
2016-04-18张蓓堵盘军
张蓓,堵盘军 *
(1 .国家海洋局东海预报中心,上海200081)
苏北辐射沙洲区间流系分布格局及对大气强迫力的响应
张蓓1,堵盘军1 *
(1 .国家海洋局东海预报中心,上海200081)
摘要:苏北辐射沙洲海域由10余条主沙脊和10余条主水道组成,其沙脊群间水动力的消长决定了沙洲的生成、发展及消亡,形成了滩槽相间、水道交错的独特地貌。黄海旋转潮波与东海前进潮波交汇于沙洲中心弶港,在沙洲外围诸多流系如黄海沿岸流、苏北沿岸水和长江冲淡水等影响下,又受复杂地形和大气强迫对浅水作用的影响,沙洲间余环流结构呈现4种环流结构迥异的特征。本文利用2006 - 2012年间8次共23站一年四季、涵盖主要沙脊和水道间准同步调查数据,以及沙洲南部4站长达1个月以上连续观测的A D CP资料,结合吕四和洋口港海洋站气象水文数据,分析了沙洲间余流四季输运分布格局,并重点讨论和分析了沙洲南部余流与风应力的响应关系。
关键词:辐射沙洲;苏北沿岸流;大气强迫;余流输运;分布格局
1 引言
苏北辐射沙洲位于南黄海西南部,其南北长约200 k m,东西宽约90 k m,以弶港为中心,由东沙、毛竹沙等10余条大型沙脊以及西洋、苦水洋等10余条主要水道组成了我国独一无二的辐射状沙脊群地貌[1—2]。分析吕四海洋站1960 - 2013年气象数据资料可知,该区域属于典型的亚热带季风性气候,全年常风向以N、E、ESE和SSE为主,冬季盛行偏北风,夏季以东到东南风为主,春秋季表现出过渡特征。研究区域及地形分布如图1所示。前人已对于苏北辐射沙洲及其外围海域动力特征作了诸多研究。任美锷[3]、张忍顺和陈才俊[4]基于江苏海岸带和海涂资源综合调查,认为辐射沙脊群受东海前进波和黄海旋转潮波交汇影响,形成了以弶港为顶点的涨潮辐聚、落潮辐散的动力格局,此动力结构是辐射状地貌形成的主要原因[5—7]。王颖等[8—9]、宋召军[10]利用动力分析与地貌演变结合的分析方法,对沙洲形成和历史演变机制进行了分析。诸裕良等[11]利用二维潮流数学模型讨论潮流沙脊发育的动力因子,认为潮流是形成发育南黄海辐射沙洲的主要动力因素,动力条件的不同决定了辐射沙洲以条子泥-蒋家沙为界的南北形态差异化演变。除潮汐作用强之外,该海域亦受多重流系影响(图1),特别在40 m等深线以浅海域,存在南向的苏北沿岸流[12—13,16—18],夏季时沿40 m等深线顺海岸向东南方向运动,与北上的东海沿岸流在长江口以东相遇[16],范围较冬季小,入夏后有稳定向北流动的趋势[19—22]。但同时受制于沙脊难以实现大面同步、长期现场观测的限制,沙脊间40 m等深线以内余环流研究甚为少见。目前仅吴德安等[23]根据辐射沙洲邻近主水道和中心沙洲滩面水道33个站位的实测资料,计算了各站位垂线平均欧拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流。但以上研究仅限于单站孤立分析,对于沙洲间特别是40 m等深线以浅区域整体余环流输运格局分析缺乏,特别是其与外围环流的相互配合、对大气强迫响应研究未见。
本文利用苏北辐射沙洲间8个主要水道间共23站周日观测,沙洲南部海域时长为1个月以上的A DCP测流资料,并结合吕四和洋口港两海洋站气象资料,分析了苏北辐射沙洲间四季余环流输运格局,并讨论了沙洲南部海域余流与风应力之间的响应关系。
图1 研究区域地形及外围流系示意图[13—15,22]Eig .1 The topography and peripheralflow of research region[13—15,22]1 .辽南沿岸流;2 .鲁北沿岸流;3 .青岛-石岛近海的反气旋中尺度涡旋,青岛冷水团;4 .山东南部沿岸的东北向流动;5 .黄海西部沿岸流;6 .苏北沿岸水;7 .夏季苏北沿岸的北向流动;8 .东北向扩展的长江冲淡水;9 .台湾暖流前缘水;10 .黄海暖流;11 .朝鲜半岛西部沿岸流1 .Liaonan Coastal Current;2 .Lubei Coastal Current;3 .mesoscale anticyclonic eddy in Qingdao - Shidao offshore,Qingdao Cold W ater M ass;4 .northeastward currentin Lunan coast;5 .Yellow Sea western Coastal Current;6 .Subei Costal Current;7 .northward currentin Subeicoastin su m mer;8 .northward extension of Yangtze River Diluted W ater;9 .Taiwan W arm Current;10 .Yellow Sea W arm Current;11 .Korean Peninsula W estern Coastal Current
2 数据及处理
本研究中使用数据来源于我国908专项“我国近海海洋综合调查与评价”(后文简称908专项)和国家海洋行业性公益专项“苏北浅滩“怪潮”灾害监测预警关键技术研究及示范应用”(后文简称苏北怪潮)等多个专项的航次调查。其中908专项资料为2006年和2007年布设的16个站位准同步观测数据,苏北怪潮数据包括2010年布设的7个站位准同步观测数据(以上资料均采用直读式海流计相对水深6层观测法,采样间隔1 h,转流时刻加测),以及2011年7月至2012年8月在沙洲南部海域布设了4个站位进行了为期1个月以上的A D CP剖面海流连续观测,其中两站为潜标观测,仪器采样间隔10 min,其余为浮标A D CP和海床基A D CP观测,采样时间间隔分别为30 min和10 min,具体观测站点信息见表1,以上调查均同步收集了实时水位数据。气象资料采用吕四和洋口港海洋台站同期风速资料,时间间隔1 h,考虑到研究范围空间尺度较小,基于就近原则资料可与各测流站匹配分析使用。其中,大面观测期间区域平均风速和主导风向情况见表1。
测站覆盖整个辐射沙洲区域,主要分布于辐射状沙脊间的西洋(西槽和东槽)、小北槽、陈家坞槽、苦水洋、黄沙洋、烂沙洋、网仓洪和大弯洪8个主要潮汐通道内。为便于结合地形分析,采用2012年以来最新、最全、最精细的苏北区域地形数据提取形成等深线地形图,以配合局部流场结构形成的机理解读。其中,地形以弶港为中心,向海呈指状分布,且以条子泥-蒋家沙沙脊线为界,呈南北不对称分布特征[24],北部沙脊分布较密集,呈狭长、连续、发育充分、间隔紧凑的格局,塑造出宽窄纵深的狭长型水道,南部沙脊分布较为分散,密度小,形体小,水道多为互通水域。
基于此本文不同站位命名以所在水道来区分,并从近岸向外海递增编号,如西洋(西槽)内的5个测站从近岸向外海分别记为X Y X1~X Y X5,具体如图2和表1所示。
本文对观测数据作如下处理,首先对直读式海流计相对6层数据和A D CP剖面海流数据作归一化处理,依据各A D CP测站的盲区和观测层厚度等参数,并结合各站同步现场水位数据进行有效层提取;然后将提取数据从绝对深度坐标系转换至相对深度坐标系,并在相对坐标系下,通过3次样条插值法使得每层数据在时间序列上连续。其次在此资料序列中挑选出4个季节大、小潮27 h相对6层数据,采用准调和分析方法计算各层周期性潮流成分,并将其从原始海流中减掉,从而得到各测点相对6层余流,用于余流平面及垂向分布分析。
另外,为了进一步分析余流与风强迫之间的关系,对于A D CP海流数据,在滤掉潮流部分作余流计算的基础上,对其及同期风速资料作48 h的滑动平均处理,滤掉高频波动,然后进行功率谱分析,以及余流时间序列变化与大气强迫力之间的响应关系研究。
图2 研究区域测流点分布Eig .2 Elow measurement point distribution in research region
表1 观测站点信息表Tab .1 The information of observation station
3 结果讨论与分析
3.1 余流四季分布特征
3.1.1 平面分布
图3a~d分别为苏北辐射沙洲海域春、夏、秋和冬季大、小潮的垂向平均余流分布图。由图可知,辐射沙洲海域余流呈现明显的地域、时域变化特征,总体以条子泥-蒋家沙为南北分界分别受前进波和旋转潮波控制,同时在局部地形条件的约束下,各水道呈现不同的余流特征。区域上,西洋、大湾洪、黄沙洋和烂沙洋水道近岸区域余流相对较大,时间上,冬季整个海域余流相对较强。根据各站所处位置,将各站按照离岸距离由远及近分别代表近海段、水道中以及近岸段进行分析。
北部辐射沙洲区域受地形影响,余流基本沿单个水道运行,多以南向或局部旋转流为主,且受季风影响较小,四季变化不大。以西洋X Y X5和X Y X4站为例,X Y X5向外海输运,而X Y X4向岸输运,四季输运格局基本维持不变;苦水洋四季也基本维持着向岸输运态势。北部西洋等水道从近海、中段及近岸出现余流方向相反的现象,四季余流大小和方向略有变化,但主体仍然不变,揭示了风强迫对其影响较小,主要为潮汐及局地地形影响。就余流大小而言,整体呈近岸段余流大,向外海逐步减小,且大潮余流明显大于小潮的特征,体现出潮致余流的明显特点,同时,小潮时流向受局地地形约束更甚几乎完全与地形走势一致。
南部沙洲区域与北部呈现不同特征,主要原因为地形发育不一和受前进潮波系统所控制。整体上说,本区域明显分布着两种余流结构形态,一为沿岸流,二为多汊道联通域形成的跨水道余流结构;且多数区域与季风存在较为显著的正响应关系,仅烂沙洋近海出现与季风反向流动的异常现象。沙洲南端网仓洪和大弯洪水道余流完全受季风影响,夏季指向近岸而冬季沿沙脊指向外海,且流速从外海向近岸段愈来愈大,为纯季风影响区域;而烂沙洋和黄沙洋等水道均较宽大且又为互联水域,表现出“C”字型余流结构,其中,夏季黄沙洋主要显示为进水道,烂沙洋余流则指向外海(图3b,H SY3指向近岸,H SY1指向烂沙洋, LSY6指向外海),冬季受偏北季风影响,沙洲南部海域余流变化显著,南向分量显著加强,黄沙洋水道与夏季相比略向外海转向,而烂沙洋则有向近岸输运的态势(图3d中H SY1和H SY2指向偏东方向,图3c 中LSY1和LSY5指向偏北方向),此种格局与吴德安等[23]基于1998年10月实测数据分析的结果“烂沙洋近海段余流指向近岸,黄沙洋近海段余流向外海输运”较为一致。小潮期时余流分布则多数表现为量级上的减小和方向上与局部地形的趋同化。
图3 苏北辐射沙洲海域各季节大、小潮垂向平均余流分布Eig .3 The vertical mean residual current distribution at spring and neap tide of each season in Subei radiation shoal waters
3.1.2 垂向分布
余流垂向分布也呈现明显的南北差异,且与平面分布一致,主要受潮汐和局地地形约束。图4a、b分别为各测站夏冬两季大潮期余流垂向分布图。北部西洋、小北槽和苦水洋等水道普遍表现为表层受季风影响余流方向略有摆动,流速从表层到底层递减并呈逆时针偏转的三维特征,而近岸段因处浅水区水体垂向混合均匀,垂向上余流大小和方向较一致。此外,特别值得关注的是,位于西洋西槽左右两侧的X Y X4 和X Y X3两站垂向各层余流显示出了深槽内存在逆时针垂向余环流结构,与3.1.1节中西洋西槽的环流结构分析一致。而蒋家沙以南的垂向余流则普遍表现为从表层到底层略呈顺时针偏转的态势,且近岸段余流方向垂向变化较为明显,表层受季风作用显著,愈向南表现愈为明显,这是由于受到了长江冲淡水的综合影响所致。结合3.1.1节中分析结果不难发现,夏季时烂沙洋近海段(LSY6站)表现出了与季风反向的特征,在3.2节中将进一步进行长时间序列分析。
图4 苏北辐射沙洲海域夏季(a)和冬季(b)大潮期余流垂向分布Eig .4 The vertical distribution about residual current at spring tide of sum mer(a)and winter(b)in Subei radiation shoal waters
3.2 余流对海面风的响应分析
北部沙洲余流流向与海面风相关性较小,而南部区域则表现出两种不同的规律。为了进一步分析南部沙洲余流与风之间的响应关系,分别以烂沙洋LSY6测站和网仓洪W C H1测站为代表进行分析。首先对48 h滑动平均后的表层余流作功率谱分析,发现烂沙洋近海表层余流存在9 d左右的显著周期,其次为2~3 d的周期,而吕四近岸6 d左右的波动最为显著,即存在显著的天气尺度的变化,其次为9 d左右的周期,如图5、图6所示。由此说明,相比吕四近岸,短周期的天气尺度变化对烂沙洋近海余流贡献相对较小。
图5 LSY6测站表层余流功率谱分布Eig .5 The residual surface current power spectrum distribution of LSY6 Station
从沙洲南部如东吕四外海烂沙洋海域LSY6测站风矢量与表、中和底层余流同步对比分析(图7,为便于与余流矢量对应分析,图中风矢量箭头指向北时表示南风,指向南则为北风,图8同)可知,夏季南风盛行,烂沙洋近海段各层余流与海表面风的关系在不同时段表现出不一致的响应特征。如海域出现偏南风时,水道余流呈方向与之相反,大小随风速增大而变小的趋势。以图7的1~8 d和10~15 d时段重点分析可见,从第1天起南风逐渐增大,原北向余流大小逐渐减小,在第6~7 d南风增大到4 m/s左右时,原北向余流逐渐消失并开始转为南向流动,表、中、底3层以表层最为显著;若海域为偏北风,风向亦与余流方向相反,但表现出风速增大、流速亦同步增大的现象,以19~21 d之间数据为例,北风从0增大至3 m/s时,北向余流同步增大且明显。主要原因是沙洲南部沙脊发育不充分导致海域开阔,黄沙洋、烂沙洋以及网仓洪等水道在如东外海相互贯通造就的独特地形,导致夏季偏南风时沙洲局部海域如烂沙洋水道余流呈南向流动的反向响应;而偏北风时,余流流向保持北向、流速增大的规律,这一规律的出现是以独特地形为主导,叠加季风、外海流系等综合作用后的结果。
图6 W C H1测站表层余流功率谱分布Eig .6 The residual surface current power spectrum distribution of W C H1 Station
吕四近岸为单一水道地形,特别受长江冲淡水聚集效应的影响,与烂沙洋表现出不同的规律,完全与风呈正响应关系。从图8可明显看出,夏季,长江冲淡水大量聚集在启东外海即大弯洪水道外延,W C H1测站表层余流受风影响敏感,流向与风向变化基本一致,以北向为主,而中、底层整体则均表现出了相对稳定的北向流动,仅在表层风力足够大时才能影响中、底层余流方向,结合图3b中辐射沙洲南部沿海夏季余流分布同样佐证这一结论,并与刘志亮和胡敦欣[20]认为“夏季存在流向比较稳定的北向低频流动,且主要受局地风场控制”的结论一致。
图7 LSY6测站各层余流与风矢量的时间序列Eig .7 The time series of each layer residual current and wind speed at LSY6 Station
3.3 余流输运格局探讨
综上研究发现,我国沿海的沿岸流,如渤海沿岸流、黄海沿岸流和东海沿岸流,多为常年向南流动。其中苏北海域因地跨黄、东海海域,故其余流特征整体趋势亦为南向常年流动,但受到局地风、地形和外海环流的影响形成局部流况复杂多变且不稳定的状态。潮致余流为苏北辐射沙脊间余流的重要构成成分之一,风强迫力是南部沙洲海域余流季节性变化的主要因素,地形效应与风场叠加影响主要改变余流的三维垂向结构。沙洲区域整体以条子泥-蒋家沙为界,南北地形分布迥异,呈现不同特征的余流输运格局。
图8 W C H1测站各层余流与风矢量的时间序列Eig .8 The time series of each layer residual current and wind speed at W C H1 Station
基于3.1.1节余流四季平面分布分析可知,北部海域余流与季风相关性较小,整体表现出沿水道和沙脊方向流动的趋势,主要体现出潮汐和地形的影响,冬季由于偏北季风作用相比夏季整体南向分量增强,并未改变其余环流输运格局。以主要水道的角度来看,北部的西洋、小北槽以及陈家坞槽等主要受旋转潮波控制,加之局部地形效应使得各水道中呈“西进东出”的格局,形成明显的局部环流结构,这与吴德安和张忍顺[24]分析结果较为一致;而苦水洋受前进潮波和旋转潮波共同影响,同时与外围环流衔接,反映出以进水为主的特征,四季维持向岸输运格局不变。因而,北部沙洲区域整体可归纳为两种余流结构,一种结构为单一潮汐通道内的逆时针余环流结构以及跨潮汐通道绕沙脊的顺时针余环流结构;另一种结构为单向的向岸输运。该输运格局与诸裕良[25]、张蓓[26]利用潮流数学模型模拟的余流分布较为一致。
南部沙洲区域与季风存在响应关系,亦表现为两种余流结构。一种结构为吕四近岸大弯洪水道中沿槽轴的单向输运,完全受季风强迫,随风力加强而余流加强,夏季为西北向流动,季风以及长江冲淡水北扩为重要原因,这与刘志亮和胡敦欣[20]的结论较为吻合,冬季余流则转向东南;另一结构为“C”字型余流结构,存在于烂沙洋和黄沙洋联通水域中,侯庆志等[27]也认为两水道间存在频繁的水量交换,其中,黄沙洋主要受两个潮波系统综合影响,夏季基本为向岸流,一部分水体南向汇入烂沙洋并于太阳沙以南向外海输运;而烂沙洋南部海域由于受前进潮波和长江冲淡水的作用同时存在着一股西北向流动流入近岸深槽,这与李孟国等[28]分析烂沙洋水道时认为其水道北部和南部具有相反的优势流也较为吻合;结合3. 2节中对烂沙洋近海段余流与风的响应关系分析可知,该处余流与风具有反向响应特征,故推测夏季从黄沙洋流入烂沙洋北部海域的余流输运结构在冬季时消散,转而由沿烂沙洋北部海域绕沙脊流入黄沙洋南部海域,向外海输运的格局替代,但由于季风影响,推测流幅和强度较小,冬季的输运格局与吴德安等[23]的分析结果具有一致性。苏北辐射沙洲间余环流输运基本格局如图9所示。
综上所述,苏北辐射沙洲间余环流分布格局在独特地形下由约14条主要水道余流组成,局部区域受大气强迫力影响显著,主要分为4种基本结构类型,其中沙洲北部多呈北面单一水道内的类似自封闭循环余环流结构,沙洲中部苦水洋海域为沿水道方向的向岸输运,南部海域出现跨黄沙洋和烂沙洋水道的“C”型余流以及吕四近岸的单向输运结构,特别后两者受大气强迫力影响明显。
图9 苏北辐射沙洲间余环流输运格局示意图Eig .9 The residual circulation transport pattern diagram in the Subei radiation shoal①西洋西槽逆时针余环流;②绕小阴沙顺时针余环流;③西洋东槽逆时针余环流;④绕东沙顺时针余环流;⑤小北槽逆时针余环流;⑥绕麻菜珩顺时针余环流;⑦陈家坞槽逆时针余环流;⑧苦水洋向岸余流;⑨黄沙洋向岸余流;⑩夏季黄沙洋南向输入烂沙洋北部并向外海输运余流;○11烂沙洋南部向岸余流;○12夏季大弯洪向岸余流;○13冬季烂沙洋北部向北输入黄沙洋并向外海输运余流;○14冬季大弯洪外海向余流①Counter-clockwise residual currentin west groove of Xiyang;②clockwise residual current around Xiaoyinsha;③counter-clockwise residual currentin east groove of Xiyang;④clockwise residual current around Dongsha;⑤counter-clockwise residual current in Xiaobei channel;⑥clockwise residual current around Macaiheng;⑦counter-clockwise residual currentin Chenjiawu channel;⑧onshore residual current in Kushuiyang;⑨onshore residualcurrentin Huangshayang;⑩offshore residualcurrentfrom Huangshayang to northern of Lanshayang in sum mer;○11onshore residual currentin southern of Lanshayang;○12onshore residual currentin Dawanhong in sum mer;○13offshore residual current from northern of Lanshayang to Huangshayang in winter;○14offshore residual currentin Dawanhong in winter
4 结论
从上述分析可以看出,苏北辐射沙洲海域受前进波和旋转波交汇作用,在局部特殊地形下,其余流结构表现出复杂特征,主要表现为如下几个方面:
(1)潮致余流、风生流以及地形诱导产生的次生流等是苏北辐射沙洲海域余流的重要组成部分,其以条子泥-蒋家沙为南北分界余流呈现不同分布特征。北部沙洲区域余流受季风影响较小,主要受潮汐及局地地形影响,多以南向或局部旋转流为主;平面上整体呈近岸向外海逐步减小趋势,且大潮余流明显大于小潮余流;垂向上从表层到底层余流逐渐减小并呈逆时针偏转的三维变化特征。南部沙洲区域则多数表现出与季风显著的正响应关系,仅烂沙洋近海出现有与季风反向流动现象;余流大小从外海向近岸逐渐增大;大弯洪夏季余流指向近岸而冬季指向外海,黄沙洋和烂沙洋由于为联通水域表现出“C”型余流结构,且随季风有所变化;小潮期时余流分布则多数表现为量级上的减小和方向上与局部地形的趋同化;垂向上则普遍表现为从表层到底层略呈顺时针偏转的态势。
(2)整个辐射沙洲区域存在4种余流结构,且以条子泥-蒋家沙为界而有明显差异。其中,北部区域分布着的两种结构:一种结构为单一通道如西洋、小北槽和陈家坞槽内的逆时针环流及跨潮汐通道绕沙脊的顺时针余环流结构;另一种结构为单向的向岸输运(如苦水洋)。南部沙洲区域亦存在两种余流结构:一种结构为吕四近岸大弯洪水道中完全受季风强迫的沿槽轴单向输运,夏季为西北向流动,冬季则转向东南;另一种结构为跨烂沙洋和黄沙洋联通水域的“C”字型余流结构,随季风而有所变化。
参考文献:
本文基于实测资料对苏北辐射沙脊群滩槽间余流输运格局进行了初步地讨论,其深入的机理研究还须借助数学模型;特别是外部环流与沙洲间余流的配合,以及风、潮与外部环流等各因子对余流输运格局贡献及影响的定量化研究还有待进一步开展。
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中图分类号:P731.23
文献标志码:A
文章编号:0253-4193(2016)03-0049-11
收稿日期:2015-04-30;
修订日期:2015-09-11。
基金项目:海洋公益性行业科研专项经费项目—苏北浅滩“怪潮”灾害监测预警关键技术研究及示范应用(200905014)。
作者简介:张蓓(1987—),女,湖南省澧县人,工程师,主要从事海洋环境动力学研究。E-mail:beizhang0411 @ 163 .com
*通信作者:堵盘军(1979—),男,江苏省宜兴市人,教授级高工,主要从事近海海洋动力学及环境动力学研究。E-mail:stanleydu @ 163 .com
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The residual current distribution pattern in Subei radiation shoal waters and its response to atmospheric force
Zhang Bei1,Du Panjun1
(1 .EastChina Sea Eorecast Center,Shanghai 200081,China)
Abstract:Subei radiation shoals consist of over 10 master sand ridges and 10 main waterways . H ydrodynamics in sand ridges dominates the shoals' birth,growth,and death,forming the unique landform of intersect tide-flats and grooves . The Yellow Sea rotational ridal wave and the East Sea forward tidal wave meet at Jianggang Port,which liesin the center ofthe shoals area . Affected by outerflow systems,such as the Yellow Sea coastalcurrent,the Subei coastal current,and the Yangtze River diluted water,and with the effect of complex terrain and atmospheric force on shallow water,the shoals show 4 kinds oftotally different residual circulation structure within .In this paper,quasi-synchronous survey data of 8 times and 23 sites within 2006 - 2012,which cover major sand ridges and waterways,the A D CP data of 4 sites at southern shoals area,continuously observed for more than 1 month,and meteorological and hydrological data from Lvsi and YangKou Port marine station were used to analyze the seasonal change of residual current transport and distribution pattern in the shoals area and to focus on the response of the southern shoals area's residuals to wind stress .
Key words:radial sand ridges;Subei coastal current;atmospheric force;residual current transport;distribution pattern